JP2005518778A - スイッチモード電源を動作させる方法及びスイッチモード電源 - Google Patents

Abstract

統合されたプリコンディショナを備える既知のスイッチモード電源の場合、制御曲線は殆どは一致するが、低負荷動作においては互いにずれ、これにより、調節されない中間回路電圧が増加する。低負荷動作での効率を改善するために、電圧変換器の一次側でバーストサイクルの閉ループ制御が実行される。上記中間回路電圧は許容可能な限界値に制限される。スイッチング段における閉ループ制御装置は、上記中間回路電圧を、プリコンディショナ機能ユニットと上記スイッチング段との間に配置される分圧器から取り出す。アセンブリは、更に、例えば光カプラにより出力電圧を監視する。バーストモードは、１以上のバーストサイクルを有する。バーストサイクルは、上記中間回路電圧が限界値に到達すると開始される。この時点で、上記電圧変換器はスイッチオフされる。バーストサイクルは、出力電圧が最小値に到達すると終了する。遅くてもこの時点で、上記電圧変換器は再びスイッチオンされる。バーストモードは、当該スイッチモード電源が再び通常の負荷の下で動作されるか、又は当該バーストモードの開始から測定して最大の時間が経過した場合に再び終了される。

Description

本発明は、整流器と一次側及び二次側を備える電圧変換器とを有するようなスイッチモード電源を動作させる方法に関する。

整流器としては、例えば別個の又は統合されたプリコンディショナを使用することができ、特に、プリコンディショナとしては能動型のＡＣ／ＤＣコンバータを使用することができる。電子装置に起因する主電源汚染に関する規則の結果として、能動型ＡＣ／ＤＣコンバータが一層頻繁に使用されるようになっている。“主電源高調波低減”を備える現在のスイッチモード電源においては、別個のプリコンディショナが使用され、斯かるプリコンディショナは当該電源における完全に分離された段内に設けられる。これにより規格は満たされ、時には凌駕さえするが、コストも同時に異常に高くなる。他の既知のスイッチモード電源の場合には、充分に高いインピーダンスを持つコイルを有する受動的解決策が、能動的ＡＣ／ＤＣコンバータの代わりに使用される。しかしながら、この受動的解決策は、大きな体積、重量の増加、高コスト及び低効率という欠点をもたらす。

更に、組み込まれたプリコンディショナ（ＡＣ／ＤＣコンバータ）及び電圧変換器（ＤＣ／ＤＣコンバータ）を備えるスイッチモード電源も既知であり、斯かる電源は少なくとも１つのトランジスタ、２つのトランジスタを有するハーフブリッジ又は４つのトランジスタを有する全ブリッジにより、及び更に閉ループ制御により動作される。適切な幾何学構造及び回路寸法により、統合されたプリコンディショナを備える斯かる既知のスイッチモード電源のプリコンディショナの及び電圧変換器の制御曲線は大きく一致することが保証され、その場合において、上記プリコンディショナは“入力電流波形の制御”及び“中間回路電圧の制御”なる機能を満たし、上記電圧変換器は“出力電圧及び出力電流の安定化”なる機能を満たす。しかしながら、欠点は、低負荷動作において、即ち或る電力閾値（上記電圧変換器の設計及びオプション的にライン電圧に依存する）より低い負荷の場合に、上記制御曲線が一致しなくなり、調節されない中間回路電圧が増加する点にある。この場合、構成部品に対する最大許容限界が超過されて、上記電圧変換器が破壊されるか又は相対的に大きな損失が生じる。

スイッチモード電源の低負荷動作における効率を改善する既知の方法は、バーストモードである。バーストモードにおいては、スイッチモード電源は、固定又は可変であり得る周波数においてスイッチオン及びスイッチオフされる。電力は、オン時間の、オン時間とオフ時間との和に対する比（on／(on+off)）内で減少する。既知のスイッチモード電源の場合、このバーストモードは、例えば待機（stand-by）動作における消費を低減するために、二次側から起動される。

従って、本発明の目的は、統合されたプリコンディショナを備えるスイッチモード電源の中間回路電圧を開及び／又は閉ループ制御する方法であって、低負荷動作を可能にすると共に斯かる動作において高効率も同時に達成するような方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、低負荷動作において高効率を示すようなスイッチモード電源を提供することにある。

本発明によれば、上記目的は上記方法に関しては中間回路電圧に対して限界値が固定されることにより達成される。該限界値に到達した場合、バーストモードが起動される。該バーストモードの制御は、上記電圧変換器の一次側で実行される。上記中間回路電圧は最大の許容限界値に制限される。

上記目的は、スイッチモード電源に関しては、プリコンディショナ及び電圧変換器を有するスイッチモード電源であって、中間回路電圧が測定されると共に、上記電源が、
− 上記中間回路電圧を監視し、
− 該中間回路電圧を固定の限界値と比較し、
− 上記電圧変換器の一次側で該限界値に到達した場合にバーストサイクルを起動させる、
手段を有するようなスイッチモード電源により達成される。

本発明によるスイッチモード電源の変形例の場合においては、上記中間回路電圧とスイッチング段の開／閉ループ制御装置とが同一の接地電位を有する。

本発明によれば、バーストモードの開及び閉ループ制御は、上記中間回路電圧に依存する。上記開及び／又は閉ループ制御装置と中間回路電圧とは同一の接地電位を有するので、例えば分圧器等による簡単な測定が可能となる。この電圧の上昇は、二次側において殆ど電力が消費されていないことを意味する。結果として、上記中間回路電圧に関して、限界値が固定され監視される。この限界値に到達したら、当該スイッチモード電源の一次側においてバーストモードが起動される。このことは、当該スイッチモード電源はスイッチオフされ、上記中間回路電圧は実質的に一定に留まり、その間に、二次電圧、即ち出力電圧は緩やかに下降することを意味する。予め決められた時間後、又は二次側電圧に関して最小値に到達したら、当該電源は再びスイッチオンされる。二次側電圧の低下により、スイッチオン後の最初の時点では中間回路の負荷は高く、その際に、中間回路電圧は低下する。出力負荷が低いままならば、上記中間回路電圧は短時間後に再び上昇し、該中間回路電圧が前記限界値に到達するやいなや、バーストモードは再起動される。出力負荷が増加した場合は、中間回路電圧の限界値は到達されず、バーストモードは自動的に停止される。

バーストモードの起動及び停止は、好ましくはスイッチング段に配置される開／閉ループ制御装置により実行される。本発明の好ましい実施例においては、中間回路電圧を測定及び監視し、バーストモードを起動及び停止するために、単一の開ループ制御が使用される。バーストモードの起動は、前記電圧変換器のスイッチオフを意味する。

本発明によるスイッチモード電源の変形例においては、バーストサイクルの開始から測定して、予め決められた時間を経過したら、上記電圧変換器は再びスイッチオンされる。このことは、該電圧変換器は、再びスイッチオンされる前に、所定の時間の間スイッチオフされたままであることを意味する。

他の変形例においては、上記電圧変換器は、同様にバーストサイクルの開始の時点から測定して、調整可能な又は適応的な時間が経過したら再びスイッチオンされる。この調整可能な又は適応的な時間が一旦経過したら、該電圧変換器は再びスイッチオンされる。

本発明による他の変形例においては、上記電圧変換器は入力ライン電圧の関数として、例えば零遷移において、スイッチオンされる。限界値が存在する入力ライン電圧は、閉ループ制御により監視される。この限界値に到達したら、該閉ループ制御はバーストモードを停止し、上記電圧変換器は再びスイッチオンされる。

本発明の他の変形例においては、上記電圧変換器のスイッチオンは、追加的に監視される二次側電圧、即ち当該スイッチモード電源の出力電圧に依存する。該出力電圧の最小値に到達したら、バーストモードは前記開／閉ループ制御により停止され、かくして、上記電圧変換器は再びスイッチオンされる。

開／閉ループ制御装置は、好ましくは、中間回路電圧及び出力電圧の両者の開及び／又は閉ループ制御を監視し及び提供するスイッチ段に設けられる。

本発明による方法の変形例においては、前記プリコンディショナ機能ユニット及びスイッチング段は統合される。

前記電圧変換器は、例えば間欠的に駆動される少なくとも１つのトランジスタを有するＤＣ／ＤＣコンバータとすることができる。

本発明の他の変形例においては、バーストモードは、高い出力負荷が同時に存在した場合には起動されない。このことは、中間回路電圧Ｕicの限界値Ｕlimitが超過された場合に、同時に出力電圧Ｕｏが定格電圧Ｕnormよりも低い場合は、バーストモードは起動されないことを意味する。斯様な中間回路電圧Ｕicの限界値の（短期間の）超過は、例えば電源主幹における妨害パルス（サージ）により起動されることがあり得る。

他の変形例においては、当該スイッチモード電源の出力側に接続される負荷は、該スイッチモード電源の出力電圧を直接的又は間接的に監視する装置を有し、該出力電圧又は前記スイッチング段の活動の関数として負荷の変化を行うことができる。このようにして、上記スイッチング段の活動フェーズの間においてのみ負荷の変化を行う。上記スイッチング段の活動フェーズの検出は、
− 当該スイッチモード電源の出力電圧の測定及び評価を介して、
− 前記電圧変換器の二次側の電圧、例えばトランスと整流器及びフィルタとの間の交流電圧、の測定及び評価を介して、
行うことができる。

この監視は、負荷の変化が上記電圧変換器の活動フェーズの間においてのみ行われ、出力電圧が最小値よりも低く低下しないようにすることを保証する。さもなければ、このことは、出力負荷がバーストサイクルの開始において投入された場合に発生し得る。

高出力負荷バースト動作における活動フェーズは、例えば、出力電圧Ｕｏの変化の時間ｔの変化に対する比が正である場合、即ち、

の場合に存在する。

直接的監視の一例は、トランスアセンブリと整流器／フィルタアセンブリとの間の電圧の測定である。ここで交流電圧が記録されれば、スイッチングトランスは活動状態であり、負荷を投入することができる。

他の変形例においては、出力負荷が、更に、発生する負荷の変化を前記開／閉ループ制御装置へ伝達する装置を有することができる。このようにして、起動され得る如何なるバーストモードも、負荷の変化に先立ち又は斯かる変化の間に停止することができる。

上述したスイッチオン条件の他の組合せも同様に可能である。

本発明の一つの利点は、追加の能動的構成要素無しでの、統合されたプリコンディショナにおける中間回路電圧の制御である。

本発明による解決策の他の利点は、上述した方法の場合、エネルギを節約するバーストモードが発生されることにある。

本発明による方法の他の利点は、通常のモードの動作モードとバーストモードの動作モードとの間の自動的切り換えであり、該切り換えは前記閉ループ制御により実行される。

本発明による方法の付加的利点は、整流器及び電圧変換器の制御曲線が比較的小さな程度にしか一致させる必要がない点で、自由度がより大きい点にある。

有利には、当該スイッチモード電源の出力側の負荷のステップが同期され、これはバーストモードから通常モードへの移行の際の可能性のある問題を防止する。回路設計に依存して、さもなければ、負荷がバーストサイクルの始点で投入された場合に出力電圧が最小値よりも低下することが起こり得る。従って、下記のオプションが設けられる：
ａ）負荷の開ループ制御であり、該制御は比較的大きな負荷の投入を電圧変換器の活動フェーズの間においてのみ許可する、又は
ｂ）上記電圧変換器の追加の制御ラインによる開ループ制御であり、該制御は負荷が投入された場合にバーストモードを終了させる。

以下、本発明を図面に示す実施例を参照して説明するが、本発明は斯かる実施例に限定されるものではない。

図１は、本発明によるスイッチモード電源の一実施例のブロック図である。該スイッチモード電源１は、少なくとも２つの入力端子２’及び２”と、少なくとも２つの出力端子３’及び３”とを有している。入力ラインは例えば電源主幹４に接続される。該電源主幹は異なる国においては異なる値を有するが、典型的には１００ボルトと２４０ボルトの間の交流電圧を供給する。電力消費部５が、該スイッチモード電源１の出力ライン３’及び３”に負荷として接続される。出力電圧Ｕｏ又は出力電圧Ｕｏ(1…n)は、斯かる電圧の用途に整合するような値にされる。

スイッチモード電源１は、先ず、入力側の交流電圧（ＡＣ）を整流（ＤＣ）するプリコンディショナ６を有している。該プリコンディショナに接続された電圧変換器７は直流電圧（ＤＣ）を所望の直流電圧（ＤＣ）に変換する。電圧変換器７のスイッチング手段１３は、同時に上記プリコンディショナの動作のためにも使用される。電圧変換器７は例えばＤＣ／ＤＣコンバータの形態をとることができ、該コンバータは、クロックされるスイッチング手段１３により直流電圧を間欠的にのみ入力する。このように、当該スイッチモード電源１の出力電圧Ｕｏは、所与の限界内で選択することができる。プリコンディショナ６と電圧変換器７との間において、中間回路電圧Ｕicが、例えば２つの抵抗Ｒ１及びＲ２を有する分圧器においてタップ引き出しされると共に、接続ライン１９を介して開／閉ループ制御装置１８に供給される。アセンブリ９は、とりわけ、出力電圧Ｕｏを測定及び監視するために使用される。該アセンブリ９は接続部１０を介して電圧変換器７の二次側にアクセスする。開／閉ループ制御装置１８は、接続部２０を介してスイッチング手段１３を適切に駆動することにより、上記アセンブリ９により監視される出力電圧Ｕｏ及び／又は出力電流を少なくとも所与の限界内で一定に維持する。

開／閉ループ制御装置１８は、オプション的入力電圧検出の目的で、プリコンディショナ６の入力に対する接続部２２を有することができる。該入力電圧の検出は、電圧変換器７の、入力ライン電圧の関数としての（例えば零遷移における）意図的なスイッチオンを可能にする。

図２は、本発明の一実施例の詳細な図である。整流器１１においては、先ず、電源主幹から平滑化されていない直流電圧Ｕdirectが発生される。コンデンサＣ１と共に、統合されたプリコンディショナ機能ユニット１２は該電圧を略一定な中間回路電圧Ｕicに変換し、この場合において、上記電源主幹からは適切な規格に対応する電流Ｉlineがプリコンディショナ機能ユニット１２により同時に導出される。上記中間回路電圧Ｕicから、スイッチング手段１３及び開／閉ループ制御装置１８を有するスイッチング段は、出力電圧Ｕｏを間接的に発生する。アセンブリ９は該出力電圧Ｕｏを測定すると共に、該電圧を開／閉ループ制御装置１８に伝送するが、該装置は更に上記中間回路電圧Ｕicを測定する。図示した実施例においては、出力ライン３’及び３”の出力電圧Ｕｏは電位的に絶縁されている。電位的絶縁は、例えば中間回路電圧Ｕicを所望の電圧Ｕnormに変換するトランス１４により実行することができる。上記中間回路電圧Ｕicは、上記スイッチング段による変換の目的で、交流電圧Ｕalternatingに変換される一方、整流器及びフィルタ１５が該交流電圧を所望の直流電圧に変換する。整流された出力信号Ｕｏは例えば光カプラ１７により伝送され、アセンブリ９により測定及び監視される。プリコンディショナ機能ユニット１２、上記スイッチング段及びトランス１４の間の結合１６は、通常の動作において、出力電圧Ｕｏの閉ループ制御の場合に、許容可能な中間回路電圧Ｕicと適切な規格を満たす入力電流波形とが同時に達成されることを保証する。図においては単に暗示されている該結合１６は、例えばコンデンサ、インダクタ及び／又は磁気部品により達成することができる。プリコンディショナ６のインダクタは例えばトランス１４に統合することができるが、他の構成も可能である。従来のスイッチモード電源の場合、出力電圧Ｕｏのみが閉ループ制御を受けるから、他の２つの条件、即ち入力電流Ｉin及び中間回路電圧Ｕicは適切な回路設計により達成されねばならない。これは、設計の重大な制限に繋がり、低負荷動作の場合は不可能であることが分かった。本発明によれば、従って、中間回路電圧Ｕicは分圧器Ｒ１、Ｒ２によりタップ引き出しされる。出力電圧Ｕｏは、抵抗Ｒ３及び光カプラ１７により測定されて、前記スイッチング段における開／閉ループ制御装置に伝送される。測定装置として作用するアセンブリ９は、この目的のために、ライン８’及び８”を介して上記スイッチング段の開／閉ループ制御装置１８に接続されている。中間回路電圧Ｕicが限界値Ｕlimitより低い間においては、電圧変換器７は上記スイッチング段における開／閉ループ制御装置１８により、出力電圧Ｕｏが常に所望の値Ｕnormにあるようにスイッチングされる。中間回路電圧Ｕicの限界値Ｕlimitが超過された場合にのみ、電圧変換器７は短くスイッチオフされる、即ちバーストサイクルが開始される。この期間内においては、出力電圧Ｕｏの測定は、オンに戻すスイッチングが発生されるべき時点を決定するように作用する。上記出力電圧が最小許容レベル（Ｕmin）より低く低下すると、電圧変換器７は再びスイッチオンされる。中間回路電圧Ｕicが上記限界値Ｕlimitに到達すると、次のバーストサイクルが起動される。

図３は、副図ａに当該スイッチモード電源１がどの様な負荷の下で動作されているかを、副図ｂに電圧変換器７のオン又はオフ状態を、副図ｃに中間回路電圧Ｕicの波形及び記録された限界値Ｕlimitを、副図ｄに出力電圧Ｕｏの波形及び記録された最小値Ｕminを各々示している。期間ｔ＜ｔ１に関しては、当該スイッチモード電源１の動作は通常の負荷の下にあるように示されており、これは、電圧変換器７はスイッチオンされており、中間回路電圧Ｕicは限界値Ｕlimitより低く、出力電圧Ｕｏは定格値Ｕnormに調整されていることを意味する。本例においては、時刻ｔ１において低負荷動作が開始する。最初は、電圧変換器７はスイッチオンされたままであり、中間回路電圧Ｕicは増加し、時刻ｔ２において限界値Ｕlimitに到達する。そうすると、電圧変換器７はスイッチオフされ、これにより中間回路電圧Ｕicの増加は停止され、出力電圧Ｕｏの値は低下する。時刻ｔ３までに、出力電圧Ｕｏは許容最小値Ｕminに到達してしまう。上記電圧が該値より低く低下するのを防止するために、電圧変換器７は再びスイッチオンされる。時刻ｔ４までに、出力電圧Ｕｏは実質的に一定な値に到達する。しかしながら、その後、中間回路電圧Ｕicは再び増加する。何故なら、当該スイッチモード電源１は低負荷の下で動作し続けるからである。時刻ｔ５までに、中間回路電圧Ｕicは再び限界値Ｕlimitに到達し、次のバーストサイクルが開始する。これは、中間回路電圧Ｕicが再び限界値Ｕlimitに到達するまで繰り返される。即ち、当該スイッチモード電源１は低負荷の下で動作する。図示の例においては、低負荷動作は時刻ｔ６で終了するので、結果として、中間回路電圧Ｕicは、最早、限界値Ｕlimitには到達せず、出力電圧Ｕｏは最小値Ｕminより高く留まり、従って電圧変換器７はスイッチオンとなる。バーストモードは電圧変換器７の最初のスイッチオフで開始し、電圧変換器７がスイッチオンのままとなる場合に終了する。バーストモードは１以上のバーストサイクルを有し、１つのバーストサイクルは同様に電圧変換器７がスイッチオフされた場合に開始すると共に、中間回路電圧Ｕicの限界値Ｕlimitへの及び出力電圧Ｕｏの最小値Ｕminへの到達を含み、その間に電圧変換器７はスイッチオンに戻される。電圧変換器７が再びスイッチオフされた場合に、当該バーストサイクルが終了するか、又は次のバーストサイクルが開始する。前記開／閉ループ制御装置１８は、中間回路電圧Ｕic及び出力電圧Ｕｏを監視及び決定する。電圧変換器７は、これらの値の関数としてスイッチオン又はオフされる。

本発明の他の実施例においては、上記出力電圧は、スイッチオンへの戻しが発生する時点を決定することはなく、ｔ３−ｔ２は予め決定されるか、当該スイッチモード電源のユーザにより調整可能とするか、又は適応的の何れかとする。

要約すると、低負荷動作におけるスイッチモード電源１の効率は、中間回路電圧Ｕicの開／閉ループ制御により改善される。中間回路電圧Ｕicはバーストサイクルの起動により活性化される。プリコンディショナ６及び電圧変換器７はスイッチ段を共有し、これによりコストは低く維持され、統合可能性が増加される。

図１は、本発明によるスイッチモード電源の一実施例のブロック図である。 図２は、本発明の詳細な実施例を示す。 図３のａないしｄは、バーストモードの波形の例を示す。

Claims (17)

1. 少なくとも１つのプリコンディショナ機能ユニットと、開及び／又は閉ループ制御装置を備えるスイッチング段と、前記プリコンディショナ機能ユニットと前記スイッチング段との間に配置される分圧器とを有するスイッチモード電源を動作させる方法であって、前記プリコンディショナ機能ユニットと前記スイッチング段との間に中間回路電圧が存在するような方法において、前記中間回路電圧に対して限界値が固定されていることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、電圧変換器の一次側における前記中間回路電圧に関して前記限界値に到達した場合に、前記開及び／又は閉ループ制御装置が前記スイッチング段においてバーストサイクルを起動することを特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の方法において、前記電圧変換器は前記バーストサイクルが起動された場合にスイッチオフされることを特徴とする方法。
4. 請求項３に記載の方法において、前記バーストサイクルは、バーストモードの起動以降測定される所定の、調整可能な又は適応的な期間が一旦経過した場合に停止され、前記電圧変換器がスイッチオンに戻されることを特徴とする方法。
5. 請求項１ないし４の何れか一項に記載の方法において、入力ライン電圧が監視され、該入力ライン電圧の限界値に到達した場合に前記スイッチング段における前記開及び／又は閉ループ制御装置がバーストモードを停止させることを特徴とする方法。
6. 請求項１ないし５の何れか一項に記載の方法において、
   − 前記スイッチモード電源の出力電圧が電圧変換器の二次側において監視され、
   − 前記出力電圧に対して最小値が固定され、
   − 前記出力電圧の前記最小値に到達した場合にバーストサイクルが停止されて、電圧変換器が再びスイッチオンされる、
   ことを特徴とする方法。
7. 請求項６に記載の方法において、前記スイッチング段における１つの開及び／又は閉ループ制御装置が前記中間回路電圧及び前記出力電圧の両方に関して監視を行うと共に開及び／閉ループ制御を実行することを特徴とする方法。
8. 請求項１ないし７の何れか一項に記載の方法において、前記プリコンディショナ機能ユニットと前記スイッチング段とが統合されることを特徴とする方法。
9. 請求項１ないし８の何れか一項に記載の方法において、電圧変換器は、間欠的に駆動される少なくとも１つのトランジスタを有するＤＣ／ＤＣコンバータであることを特徴とする方法。
10. 請求項１ないし９の何れか一項に記載の方法において、同時に高出力負荷が存在した場合に、閉ループ制御がバーストモードを起動しないことを特徴とする方法。
11. 請求項１ないし１０の何れか一項に記載の方法において、出力負荷が接続され、該出力負荷は、前記スイッチング段の活動を直接的又は間接的に監視する装置を有すると共に、活動フェーズの間においてのみ負荷の変化を行うことを特徴とする方法。
12. 請求項１１に記載の方法において、前記スイッチング段の活動フェーズの検出が、前記スイッチモード電源の出力電圧の測定及び評価により実行されることを特徴とする方法。
13. 請求項１１に記載の方法において、前記スイッチング段の活動フェーズの検出が、電圧変換器の二次側における電圧の測定及び評価により実行されることを特徴とする方法。
14. 請求項１ないし１３の何れか一項に記載の方法において、出力負荷が接続され、該出力負荷が、発生する負荷の変化を前記開及び／又は閉ループ制御装置に伝達する装置を有していることを特徴とする方法。
15. プリコンディショナと電圧変換器とを有し、中間回路電圧が測定されるようなスイッチモード電源であって、請求項１ないし１３の何れか一項により動作されるスイッチモード電源において、
    − 前記中間回路電圧を監視し、
    − 該中間回路電圧を固定の限界値と比較し、
    − 前記電圧変換器の一次側において前記限界値に到達するとバーストサイクルを起動する、
    手段が設けられていることを特徴とするスイッチモード電源。
16. 請求項１５に記載のスイッチモード電源において、前記中間回路電圧と前記スイッチング段の開及び／又は閉ループ制御装置が同一の接地電位を有していることを特徴とするスイッチモード電源。
17. 前記スイッチモード電源の低負荷動作の場合において改善された効率を達成するための、請求項１５又は１６に記載のスイッチモード電源の使用。
    

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